七大颠覆性技术破解能源危机

自然界中，太阳的光和热源自核聚变；氢弹的能量也来自核聚变。物理学家和工程师数十年来也一直在努力研究如何通过核聚变发电。现在，研究人员能够轻松制造出可控核聚变反应——只要让氢原子核足够猛烈地碰撞压缩到一起，它们就会融合，并释放出中子和能量。然而，要让核聚变用于发电，就必须做到更高效，以使反应所释放的能量大于触发反应(被称为“点火”)所需的能量，这是科学界的一道难题。

　　因此，美国利弗莫尔国家实验室国家点火装置(National Ignition Facility)的科学家设计出一套新方案：用核聚变来驱动裂变，利用原子分裂产生的能量来驱动传统核反应堆。该实验室主任爱德华·摩西(Edward Moses)声称，利用这一机制运作的实验性核电站有望在20年内建成。

　　根据利弗莫尔实验室的构想，要先在一个反应室的内壁上排放一厚层铀或其他核燃料，然后利用激光脉冲在反应室内触发核聚变爆炸，放射出的中子轰击到内壁上的核燃料后，会使其中的原子分裂。这可以将反应室的能量输出提升3倍，甚至更多。

　　和平利用核聚变驱动裂变概念的提出，要追溯到上世纪50年代。当时，苏联的氢弹之父安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)首次提出了这个设想。

　　既然大部分能量仍来自裂变，为什么不继续使用传统核电站，却非要不厌其烦地研究由聚变来触发呢？原因在于，裂变反应堆要依赖于链式反应，即裂变的原子释放出的中子会触发更多原子发生裂变。想要维持链式反应的进行，就必须用钚或浓缩铀作为燃料，这两种材料都能用于生产核武器。

而聚变—裂变混合反应堆是由聚变爆炸产生的中子触发裂变反应，不再需要维持链式反应的进行。这样的设计扩大了核燃料的选择范围，可以使用的燃料包括未浓缩的铀、贫化铀(来源丰富，浓缩铀使用后的废料)，甚至其他核反应堆产生的废料——否则，这些废料必须得贮存数千年，或者需要进行复杂和危险的再处理后，重新作为裂变电站的燃料。

　　另一个原因是燃耗。对传统核反应堆而言，燃料使用到必须被更换之前，可裂变原子中仅有一小部分发生了裂变。摩西介绍说，而聚变—裂变反应堆能消耗掉核燃料的90%。因此，它的燃料需求量或许只是普通裂变反应堆的1/20。这种反应堆的使用寿命约为50年，其中最后十年被称为“焚化”阶段，在这一阶段里，输出电能逐渐减少，即使如此，它也能将约2 500千克的长半衰期核废料消耗到只剩约100千克。

　　与此同时，研究人员也在进行基于磁控核聚变的聚变—裂变设计，这是可控核聚变的另一种方式，利用超强磁场来约束聚变反应。2009年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的科学家提出了一个带有紧凑型磁控核聚变触发装置的混合反应堆设计方案。中国的研究人员也正在评估关于优化能量产生、传统核反应堆燃料生产，以及利用核废料发电的设计方案。

　　以任何形式利用核聚变产生能量，都是很超前的设想。即便是摩西的实验室于今年成功实现点火，这种混合核电站的一些主要技术障碍依然存在。例如，微小的、精细加工制成的聚变靶丸要能以可接受的成本量产；还需要一系列未经检验的新技术，来保证点火频率达到每秒10次(目前“国家点火装置”在一天内命中靶丸的次数也没几次)。

　　制造混合反应堆，还需要一些在纯聚变装置中用不到的技术。具体来说，就是裂变燃料层，其中的燃料要能经受得住比传统核反应堆中高得多的温度，以及猛烈得多的中子轰击。候选设计包括从固态的多层“卵石”状核燃料，到液态的、含钍、铀或钚的熔融盐。

　　这无疑是一个巨大的挑战，但摩西已经设想好了一条雄心勃勃的研发路线来实现这个目标。虽然，他们实验室的首要任务还是必须证明激光核聚变能够点火成功。

太阳每一个小时照射到地球上的能量，就比人类一年消耗的能量还多。如果科学家能够将过剩太阳能转化为液体燃料，哪怕只是一小部分，就能解决我们对化石燃料的依赖，以及由此带来的种种问题。“如果能有效、经济地利用太阳能来制造化学燃料，就能彻底改变能源现状，”美国加州理工学院人工光合作用联合研究中心主任内森？ 刘易斯(Nathan Lewis)评论说。

　　其中美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)开展的一项尝试非常吸引人。他们在新墨西哥州的沙漠中安装了一些直径6米的圆盘状镜面，能将太阳光聚集到安放在盘面前方的一个半米长、形状像啤酒桶的圆柱形仪器上。太阳光被这些镜面聚焦后，从仪器表面的一个窗口射入，照射到里面12个以每分钟一圈的速度旋转的同轴圆环上。圆环的边缘是以齿状排列的氧化铁(铁锈)或氧化铈，它们依次旋转进光束，并被加热到1 500℃，如此高的温度能驱出铁锈里的氧。当转到反应室较冷的暗处时，它们又能从注入反应室里的水蒸气或二氧化碳中把氧吸回去，剩下富含能量的氢气和一氧化碳。

　　这样产生的氢气—一氧化碳混合气体被称为合成气(syngas)，它是化石燃料、化工原料甚至塑料在分子层面的基本原料。燃烧生成的合成气所释放的二氧化碳，还能被该过程全部吸收。美国高级研究计划局能源项目部主任阿伦·麦琴达尔(Arun Majumdar)评论说，这种太阳能燃料系统“可谓一石四鸟”，即带给我们更清洁的能源供应，更高的能源保障，更低的二氧化碳排放和更小的气候变化影响。

在其他地方，例如瑞士联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology)和美国明尼苏达大学，研究人员也在研发生产合成气的设备。还有一些新兴公司同时在寻求其他途径来达到类似目标，例如位于马萨诸塞州的Sun Catalytix公司将一种廉价催化剂泡入水中，并利用太阳能电池板产生的电力，来制备氢和氧，新泽西州Liquid Light公司将二氧化碳气体导入一种电化学反应池来产生甲醇。此外，刘易斯本人也正在研制一种“人造树叶”(参见《环球科学》2010年第11期《人造树叶：阳光变燃料》)，它由一种半导体纳米线制成，能利用阳光将水分解成氢和氧。

　　当然，主要困难还是在实际应用上。在桑迪亚实验室，齿状氧化物总是破裂，阻碍了反应进行。“你让(氧化物)材料在1 500℃和900℃之间来回转，这对它们的要求很高，”亚利桑那州立大学LightWorks计划主任、未参与该项研究的化学家加里·德克斯(Gary Dirks)评论说。下一步计划是，在纳米尺度上加固氧化物的结构，或找到更合适的材料；圆盘状镜面的高昂造价也需要降低。根据桑迪亚实验室研究人员的计划，他们的合成气制造机能够生产出成本为10美元/加仑(约2.65美元/升)的燃料。“我们并非做不到这一点，但我们还有很长的路要走。”化学工程师詹姆斯？ E ? 米勒(James E. Miller)说，他也是这项技术的发明者之一。

目前市场上的太阳能电池，只能将接收到的阳光能量的10%至15%转化为电能，以致发电成本居高不下。原因之一是，单层硅吸收阳光的效率，理论上限大约是31%(实验室中最好的光电池可以达到26%)。而对半导体晶体(或称为“量子点”)的新研究表明，这一理论上限可以提高到60%以上，这为开发低成本发电设备带来了希望。

　　在传统光电池中，硅中的电子被射入的光子击出而成为自由电子，能够自由地流入导线，从而产生电流。不幸的是，阳光中许多光子能量太高，当它们击打到硅上时，会产生一种“热电子”，它们会以热的形式迅速损失能量，在被导线捕捉到之前又重新回到初始状态。如果能在热电子冷却前就捕捉到它们，那么光电池的效率上限就会翻一番。

解决方案之一是降低电子的冷却速度，为捕捉它们赢得更多时间。去年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的化学家朱晓阳(Xiaoyang Zhu，音译)和同事将注意力投向了一种量子点，每一个点只包含数千个原子。他们将硒化铅量子点沉积在一层导电的二氧化钛(一种普通材料)上。当光线照在上面时，所产生的热电子损失能量所需的时间要比原先长了1 000倍。美国圣母大学(University of Notre Dame)的普拉山特·卡马特(Prashant Kamat，未参与此项研究)评论道，朱晓阳的团队“确实证明了这一设想是可能实现的”。

　　然而，延缓电子能量损失仅仅是一个方面。目前，朱晓阳的团队正在寻找能让导体将尽可能多的热电子转化为电流的方法，这样，导体本身才不会将它们以热量的形式吸收。

　　在最终得到实用的太阳能电池之前，还有许多困难需要克服。朱晓阳说，“我们需要建立一整套物理理论”，包括热电子究竟如何冷却，它们怎样流入导体等等。他说：“一旦解决了所有这些问题，我们就会知道最终应该使用什么材料。” 朱晓阳预计，这项工作“需要一些时间，但是我有信心取得成功。我希望看到这些新型太阳能电池板安装在自家屋顶上” 。该项目的商业回报将十分可观。